Circuit ORAM और व्यावहारिक प्रदर्शन

सर्किट ORAM, जिसे Wang, Chan और Shi ने 2015 में प्रस्तावित किया था, बैंडविड्थ अतिरिक्त-भार को न्यूनतम करने और सुरक्षित गणना ढाँचों (गोपित परिपथों और गुप्त साझाकरण) में सरलता से कार्यान्वित होने के लिए अभिकल्पित किया गया था। इसका प्रमुख नवाचार खंड-संग्रह का आकार घटाकर Z = 2 खंड करना है (पाथ ORAM में Z = 5 की तुलना में), जिससे विफलता की नगण्य संभावना बनाए रखते हुए बैंडविड्थ आधी हो जाती है। निष्कासन प्रक्रिया को इस तरह पुनः-अभिकल्पित किया गया कि उसे एक छोटे बूलियन परिपथ के रूप में व्यक्त किया जा सके।

Z = 5 वाले पाथ ORAM में, खंडों को पथों पर यादृच्छिक रूप से निर्धारित करने के लिए प्रत्येक खंड-संग्रह में अनेक खंड रखने से अस्थायी भंडार के अतिप्रवाह की संभावना नियंत्रित होती है। सर्किट ORAM सिद्ध करता है कि यादृच्छिक निष्कासन के बजाय नियतात्मक निष्कासन प्रक्रिया (गहराई-प्रथम निष्कासन) का उपयोग करने पर Z = 2 पर्याप्त है। समान सुरक्षा मापदंडों वाले पाथ ORAM की तुलना में इससे सर्वर संग्रहण और संचार अतिरिक्त-भार आधा हो जाता है।

सर्किट ORAM को विशेष रूप से ऐसी निष्कासन प्रक्रिया के लिए अभिकल्पित किया गया था जिसे एक दक्ष बूलियन परिपथ के रूप में व्यक्त किया जा सके। सुरक्षित गणना प्रोटोकॉल (गोपित परिपथ, SPDZ) में ORAM अभिगम का मूल्यांकन स्वयं अभिगम-गोपनीय रूप से किया जाना चाहिए — गणना करने वाले सर्वर को यह पता नहीं चलना चाहिए कि किस स्मृति स्थान तक अभिगम किया जा रहा है। सर्किट ORAM का सरल नियतात्मक निष्कासन परिपथ, पाथ ORAM की निष्कासन प्रक्रिया की तुलना में, गोपित रूप में बदलने के लिए कहीं अधिक दक्ष है।

B बाइट आकार वाले N खंडों के डेटाबेस के लिए, सर्किट ORAM प्रत्येक अभिगम पर 2 * log N * B बाइट आवश्यक करता है (प्रति खंड-संग्रह Z = 2 खंड वाले एक पथ को पढ़ना और लिखना)। 4KB के N = 2^20 खंडों के लिए, यह प्रति अभिगम 160KB है, जबकि पाथ ORAM के लिए 400KB है (Z=5)। सामान्य मापदंडों में सादा-पाठ की तुलना में बैंडविड्थ अतिरिक्त-भार लगभग 40 गुना है, जो पाथ ORAM के 100 गुना से कम है।

Oblix (Misra, Schlegel, Sherwood और Tsudik, 2018) उच्च-स्तरीय दत्तांश संरचनाओं के अभिगम-गोपनीय रूप बनाने के लिए सर्किट ORAM का उपयोग करता है: अभिगम-गोपनीय संबद्ध सूचियाँ, अभिगम-गोपनीय मानचित्र (हैश सारणियाँ) और अभिगम-गोपनीय प्राथमिकता कतारें। ये संरचनाएँ अभिगम प्रतिरूपों को उजागर किए बिना गतिशील दत्तांश पर अभिगम-गोपनीय गणना की अनुमति देती हैं। Oblix Intel SGX सुरक्षित कक्षों के भीतर चलता है और सुरक्षित निजी समुच्चय प्रतिच्छेदन तथा निजी डेटाबेस प्रश्नों को लक्ष्य बनाता है।

TaoStore (Sahin, Zhu, Gunter, Borisov, 2016) पाथ ORAM का विस्तार करके उच्च प्रवाह-दर वाले असमकालिक अभिगम का समर्थन करता है। यह कई ORAM अनुरोधों को समानांतर रूप से संसाधित करके और पाथ-निष्कासनों को समूहबद्ध करके ऐसा करता है। एक ही पाथ पर होने वाले अभिगमों को संयोजित करके, TaoStore समकालिक ORAM संरचनाओं की तुलना में बहुत अधिक प्रवाह-दर (प्रति सेकंड अनुरोध) प्राप्त करता है, जिससे यह अनेक एक-साथ जुड़े क्लाइंट वाले क्लाउड भंडारण सर्वरों के लिए उपयुक्त बनता है।

Obladi (Crooks, Park, Alvisi, Iyengar, 2018), पाथ ORAM के ऊपर एक पूर्ण लेन-देनात्मक भंडारण प्रणाली बनाता है। Obladi एन्क्रिप्टेड और अभिगम-पैटर्न-गोपनीय भंडारण पर ACID लेन-देन का समर्थन करता है। यह विलंबित निष्पादन की शुरुआत करता है: लेन-देन को चरणों में समूहित किया जाता है और इस तरह निष्पादित किया जाता है कि प्रत्येक चरण के भीतर किन विशिष्ट अभिलेखों का अभिगम हुआ, यह छिपा रहे। Obladi क्लाइंटों और अविश्वसनीय क्लाउड भंडारण बैकएंड के बीच एक विश्वसनीय मध्यस्थ के रूप में चलता है।

क्लाइंट द्वारा इंटरनेट के माध्यम से ब्लॉकों का अभिगम करने वाले AWS पर स्थापित 1 GB ORAM (4 KB के 262,144 ब्लॉक) के लिए, प्रत्येक अभिगम पर पाथ ORAM की विलंबता लगभग 50–200 ms होती है। यह मुख्यतः log N = 18 बकेट अभिगमों के लिए लगने वाले द्विदिश आवागमन समय के कारण है। समानांतर बकेट प्राप्तियों से इसे घटाया जा सकता है। RAM में ORAM वाले स्थानीय SGX अनुप्रयोगों के लिए प्रत्येक अभिगम की विलंबता 1–10 ms होती है, जो कई सुरक्षित गणना अनुप्रयोगों के लिए स्वीकार्य है।

ORAM का बैंडविड्थ अतिरिक्त भार अभिगम-पैटर्न पर बहुत अधिक निर्भर करता है। 1 TB क्लाउड भंडारण ORAM में 1 MB ब्लॉकों के साथ, प्रत्येक अभिगम लगभग 25 MB स्थानांतरित करता है (log N = 25 स्तरों के लिए 25 गुना अतिरिक्त भार)। छोटे ब्लॉकों (4 KB) के लिए प्रति अभिगम अतिरिक्त भार निरपेक्ष बाइटों में कम होता है, लेकिन सापेक्ष रूप से अधिक होता है। ORAM लागू करने वाले संगठनों को बैंडविड्थ में 20–50 गुना वृद्धि के लिए बजट रखना चाहिए और यह सुनिश्चित करना चाहिए कि उनके नेटवर्क लिंक तथा क्लाउड से डेटा बाहर भेजने की लागत को इसमें शामिल किया गया हो।

अभिगम-गोपनीयता के लिए ORAM का एक विकल्प विश्वसनीय हार्डवेयर है: इंटेल SGX या AMD SEV एक विश्वसनीय निष्पादन वातावरण प्रदान करता है, जिसमें उचित सुरक्षा उपायों के साथ मेज़बान OS भी गणना या स्मृति-अभिगम पैटर्न नहीं देख सकता। ORAM के बिना SGX फिर भी पृष्ठ-स्तरीय अभिगम-पैटर्न हार्डवेयर के समक्ष उजागर करता है, इसलिए पूर्ण सुरक्षा के लिए SGX के भीतर ORAM आवश्यक है। केवल ORAM की तुलना में विश्वसनीय हार्डवेयर बैंडविड्थ अतिरिक्त भार घटाता है, लेकिन इसके लिए हार्डवेयर निर्माता और आपूर्ति शृंखला पर भरोसा करना पड़ता है।

ORAM तब उपयुक्त है जब: प्रतिद्वंद्वी सर्वर-पक्षीय अभिगम-पैटर्न देखता हो (क्लाउड प्रदाता या सह-उपयोगकर्ता), डेटा की संवेदनशीलता 20–50 गुना बैंडविड्थ अतिरिक्त भार को उचित ठहराती हो, और अभिगम-पैटर्न स्वयं संवेदनशील जानकारी प्रकट कर सकता हो। अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए सावधानीपूर्वक कुंजी प्रबंधन के साथ मानक एन्क्रिप्शन पर्याप्त है। ORAM उच्च-सुरक्षा परिदृश्यों के लिए एक विशेषीकृत साधन है, जैसे चिकित्सा डेटा विश्लेषण, निजी मशीन लर्निंग, वित्तीय व्यापार प्रणालियाँ और कानून-प्रवर्तन डेटाबेस।

Circuit ORAM बकेट आकार को Z=2 तक घटाता है (पाथ ORAM के Z=5 की तुलना में) और नियतात्मक गहराई-प्रथम निष्कासन के माध्यम से बैंडविड्थ को आधा कर देता है। इसे गार्बल्ड सर्किट सुरक्षित गणना के भीतर उपयोग के लिए बनाया गया है। सामान्य मानदंडों पर व्यवहारिक अतिरिक्त भार बैंडविड्थ में 40 गुना वृद्धि का होता है। उत्पादन प्रणालियों में ऑब्लिक्स (SGX + अभिगम-पैटर्न-गोपनीय डेटा संरचनाएँ), TaoStore (उच्च-प्रवाह-दर वाला समूहित ORAM) और Obladi (लेन-देनात्मक ORAM) शामिल हैं। SGX के भीतर ORAM आवश्यक है, क्योंकि अकेला SGX पृष्ठ-स्तरीय अभिगम-पैटर्न उजागर कर देता है।